智能電網(wǎng)建設(shè)中信息和通信技術(shù)的應(yīng)用

吳 超 張林俊 唐 飛

（重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400000）

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)成為世界電網(wǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外均給予極大關(guān)注。國(guó)家電網(wǎng)公司提出以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù)，構(gòu)建以信息化、自動(dòng)化、數(shù)字化、互動(dòng)化為特征的國(guó)際領(lǐng)先、自主創(chuàng)新、中國(guó)特色的堅(jiān)強(qiáng)的智能化電網(wǎng)。智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)涉及諸多領(lǐng)域，本文對(duì)智能電網(wǎng)信息和通信的若干研究重點(diǎn)進(jìn)行了討論，具體包括層次模型、信息網(wǎng)絡(luò)、信息和通信系統(tǒng)的安全防護(hù)幾個(gè)基本方面。

l層次模型

智能電網(wǎng)信息流的層次模型包括4個(gè)層次，即電網(wǎng)設(shè)備層、通信網(wǎng)架層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層。各個(gè)層次組成的信息支撐體系是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)信息運(yùn)轉(zhuǎn)的有效載體，是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)堅(jiān)實(shí)的信息傳輸基礎(chǔ)。信息支撐體系通過(guò)對(duì)電網(wǎng)基礎(chǔ)信息分層分級(jí)的集成與整合，達(dá)到信息的縱向貫通和橫向集成，為堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)提供可靠信息支撐。信息流的層次模型如圖1所示。

圖1 信息流的層次模式

電網(wǎng)設(shè)備層包括電網(wǎng)的各類需要信息傳輸和交換的元件和設(shè)備。

通信網(wǎng)架層利用通信網(wǎng)絡(luò)將電網(wǎng)設(shè)備層的各類型設(shè)備連接成一個(gè)整體，其中網(wǎng)絡(luò)方式較傳統(tǒng)的其他方式具有連接簡(jiǎn)單、易維護(hù)等特點(diǎn)，在有線網(wǎng)絡(luò)不易部署的地方可以采用無(wú)線方式或公開網(wǎng)方式，輔予合適的網(wǎng)絡(luò)安全策略。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理層提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及跨分區(qū)、跨系統(tǒng)的整合、集成、訪問(wèn)功能。智能電網(wǎng)的信息量將遠(yuǎn)大于現(xiàn)有電網(wǎng)，數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)是需要深入研究的一個(gè)問(wèn)題。同時(shí)在已有信息化的基礎(chǔ)上。完善異構(gòu)系統(tǒng)之間的信息集成。信息的訪問(wèn)可以采用事件驅(qū)動(dòng)或者小心總線的模式，避免數(shù)據(jù)的大量檢索。

基于上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的高級(jí)分析、控制等功能。

標(biāo)準(zhǔn)體系貫穿信息流層次模式的各層級(jí)，保障設(shè)備的即插即用、信息的有效交換和傳輸內(nèi)容的無(wú)二義理解，降低信息交換成本。

2 信息網(wǎng)絡(luò)

我國(guó)已建成先進(jìn)可靠的電力通信網(wǎng)絡(luò)，形成了以光纖通信為主，微波、載波、衛(wèi)星等多種通信方式并存，分層分級(jí)自愈環(huán)網(wǎng)為主要特征的電力專用通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。在配電、用電領(lǐng)域，擁有電力負(fù)荷控制專用無(wú)線電頻率(230MHz)。開發(fā)了電力線通信(PLC)技術(shù)，應(yīng)用于自動(dòng)抄表、配網(wǎng)管理、用戶雙向通信等方面。目前，國(guó)家電網(wǎng)公司所轄全部網(wǎng)省公司SGl86一體化平臺(tái)一期工程已經(jīng)全部完成，公司總部與網(wǎng)省公司實(shí)現(xiàn)了二級(jí)級(jí)聯(lián)，總部、網(wǎng)省公司、地市(縣)公司的三級(jí)貫通已經(jīng)全面展開。

但目前存在的主要問(wèn)題包括：骨干網(wǎng)架仍不夠堅(jiān)強(qiáng)，難以完全滿足調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)第二平面建設(shè)的新要求：各級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)的資源整合和充分利用有待進(jìn)一步加強(qiáng)：總體上呈“骨干網(wǎng)強(qiáng)、接入網(wǎng)弱”、“高(電壓)端強(qiáng)，低端弱”的態(tài)勢(shì)，配電、用電環(huán)節(jié)的通信水平相對(duì)輸電網(wǎng)而言差距較大。網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)可以解決上述不足。

網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、控制靈活、易于維護(hù)、擴(kuò)展方便等眾多適合智能電網(wǎng)控制的優(yōu)點(diǎn)?？娠@著簡(jiǎn)化控制設(shè)備的連接方式，實(shí)現(xiàn)各種異構(gòu)控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)集成和信息共享。然而電力系統(tǒng)是分布式、實(shí)時(shí)系統(tǒng)。各種控制設(shè)備的信息差異很大，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信息將存在時(shí)延不確定、路徑不確定、數(shù)據(jù)包丟失、信息因果性喪失等問(wèn)題?？蓮碾娏ο到y(tǒng)信息的傳輸特性，網(wǎng)絡(luò)對(duì)電網(wǎng)控制性能的影響、電網(wǎng)的通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的影響等方面入手，研究信息網(wǎng)絡(luò)在智能電網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。如某項(xiàng)目側(cè)重從電網(wǎng)公司角度對(duì)電網(wǎng)通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。提出了電網(wǎng)分層次的通信體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)分為廠站層、區(qū)域?qū)雍拖到y(tǒng)層3層。

2002年后對(duì)電力系統(tǒng)信息的傳輸特性和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)電網(wǎng)控制性能影響的研究成果開始引起關(guān)注。介紹了控制網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)延模型、線性控制系統(tǒng)的時(shí)延補(bǔ)償方法進(jìn)行了闡述。主要方法包括改進(jìn)協(xié)議、進(jìn)行反饋補(bǔ)償?shù)?，提高基于網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)時(shí)性。

新技術(shù)在電網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，學(xué)科交叉歷來(lái)是研究重點(diǎn)。研究了密集波分復(fù)用技術(shù)DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)、下一代同步數(shù)字體系NGSDH(Next Generation Synchronous Digital Hierarchy)、自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)ASON(Automatically Switched Optical Network)在電網(wǎng)信息通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，介紹了基于上述技術(shù)的電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。介紹了基于移動(dòng)智能體MA(Mobile A－gent)的多級(jí)電力控制中心互聯(lián)通信平臺(tái)設(shè)計(jì)。該平臺(tái)采用TASE.2協(xié)議，基于智能體的網(wǎng)絡(luò)控制和診斷滿足了對(duì)多級(jí)電力控制中心的互聯(lián)需求。

電力系統(tǒng)的控制信息調(diào)度采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，屬于動(dòng)態(tài)調(diào)度。動(dòng)態(tài)調(diào)度區(qū)別于靜態(tài)調(diào)度，沒(méi)有明確的任務(wù)周期。指出采用時(shí)延控制策略對(duì)同時(shí)到達(dá)交換機(jī)的電力系統(tǒng)保護(hù)信息流進(jìn)行控制時(shí)無(wú)法確保端到端的響應(yīng)時(shí)間要求，因此有必要研究新的信息流控制機(jī)制，確保基于信息網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)控制任務(wù)的時(shí)間約束關(guān)系.提高電網(wǎng)信息調(diào)度的可控制性。基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)應(yīng)用包括繼電保護(hù)、同步相量測(cè)量等，提出一種基于數(shù)據(jù)網(wǎng)的新型廣域后備保護(hù)系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計(jì)方案，并給出了該方案的意義、原理及保護(hù)算法，提出利用從相量測(cè)量裝置獲得的電壓和電流相量，并基于靜態(tài)等值的思想，通過(guò)相對(duì)電距離指標(biāo)對(duì)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行排序，從而可對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

3 安全防護(hù)

智能電網(wǎng)較傳統(tǒng)電網(wǎng)將更多依賴信息交換，電網(wǎng)跨地域廣闊，設(shè)備元件眾多，任意節(jié)點(diǎn)都可能引發(fā)信息安全問(wèn)題，導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生故障，因此智能電網(wǎng)信息安全防護(hù)內(nèi)涵很廣，影響重大。

長(zhǎng)期以來(lái)，電網(wǎng)的安全偏重于電網(wǎng)的物理安全，例如電網(wǎng)穩(wěn)定、設(shè)備的電氣安全，對(duì)信息安全不夠重視。指出，五年內(nèi)對(duì)某變電站信息安全進(jìn)行二次評(píng)估，第1次信息安全評(píng)估發(fā)現(xiàn)的如系統(tǒng)弱口令、默認(rèn)密碼未刪除等問(wèn)題，五年后并未得到實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，此外還發(fā)現(xiàn)了新的安全隱患，包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全、與因特網(wǎng)的強(qiáng)連接、數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過(guò)商用通信網(wǎng)等。因此，智能電網(wǎng)信息系統(tǒng)的安全防護(hù)應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)化的體系，該體系的主要內(nèi)容包括4點(diǎn)。

3.1 脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

對(duì)信息系統(tǒng)的脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)定期進(jìn)行評(píng)估，指定包括改進(jìn)措施的一系列指導(dǎo)原則。調(diào)查指出雖然工作站、服務(wù)器、路由器都提供了安全機(jī)制，但是用戶并未認(rèn)證對(duì)安全進(jìn)行有效配置，甚至配備有IT維護(hù)團(tuán)隊(duì)的頂級(jí)大公司也存在這個(gè)問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)約有超過(guò)90%的信息系統(tǒng)入侵是通過(guò)已知的系統(tǒng)漏洞和操作系統(tǒng)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備錯(cuò)誤配置實(shí)現(xiàn)的。

3.2 對(duì)威脅的應(yīng)對(duì)能力

對(duì)電網(wǎng)安全構(gòu)成威脅的行為，如信息系統(tǒng)攻擊發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)對(duì)和報(bào)警機(jī)制隨之啟動(dòng)。在極端情況下，電網(wǎng)信息系統(tǒng)遭受大規(guī)模攻擊。導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)公司與其他機(jī)構(gòu)。包括政府機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)響應(yīng)。

圖2 電網(wǎng)與信息系統(tǒng)的相互關(guān)系

3.3 重要系統(tǒng)的可靠性

2002年5月中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)貿(mào)委30號(hào)令《電網(wǎng)和電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的規(guī)定》指出重要系統(tǒng)包括電力數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、變電站自動(dòng)化系統(tǒng)、換流站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)、微機(jī)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置、廣域相量測(cè)量系統(tǒng)、負(fù)荷控制系統(tǒng)、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)和水電梯級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、電能量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)的輔助控制系統(tǒng)、各級(jí)電力調(diào)度專用廣域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、用于遠(yuǎn)程維護(hù)及電能量計(jì)費(fèi)等的調(diào)度專用撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)、各計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的本地局域網(wǎng)絡(luò)等。必須防范對(duì)上述電網(wǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的攻擊侵害及由此引起的電力系統(tǒng)事故。抵御病毒、黑客等通過(guò)各種形式對(duì)系統(tǒng)發(fā)起的惡意破壞和攻擊，防止通過(guò)外部邊界發(fā)起的攻擊和侵入，尤其是防止由攻擊導(dǎo)致的一次系統(tǒng)的控制事故。

3.4 敏感信息的安全

對(duì)敏感信息從內(nèi)部和外部都杜絕被竊取，如電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、配電等環(huán)節(jié)的重要數(shù)據(jù)。防止未授權(quán)用戶訪問(wèn)系統(tǒng)或非法獲取電網(wǎng)運(yùn)行和調(diào)度敏感信息以及各種破壞性行為，保障電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)信息的安全性、完整性。重點(diǎn)關(guān)注電力市場(chǎng)系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)度信息披露的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，防止非法訪問(wèn)和盜用。主要通過(guò)具有認(rèn)證、加密功能的安全網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)：確保信息不受破壞和丟失。則通過(guò)系統(tǒng)冗余備份來(lái)實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于信息系統(tǒng)的安全防護(hù)，需要特別關(guān)注的是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)問(wèn)題。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有接人靈活、方便的特點(diǎn)，在配網(wǎng)和用電側(cè)具有廣泛應(yīng)用的可能。如IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)用途相當(dāng)廣泛。已經(jīng)成為用于共享無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。指出802.1lb的身份驗(yàn)證比較脆弱，黑客只需要一臺(tái)普通的無(wú)線局域網(wǎng)適配器就能夠達(dá)到利用這個(gè)缺陷的目的。只要對(duì)適配器的編碼加以修改，就可以干擾無(wú)線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。用這臺(tái)適配器，可以徹底破壞其通信范圍內(nèi)的任何使用802.1lb技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)。所需時(shí)間不過(guò)5～8s。因此在電網(wǎng)使用無(wú)線通信時(shí)必須對(duì)其安全機(jī)制進(jìn)行改進(jìn).否則將帶來(lái)安全隱患。

4 智能電網(wǎng)信息及通信體系架構(gòu)

電力系統(tǒng)本質(zhì)上是能量的傳遞過(guò)程，該過(guò)程由發(fā)電、輸電、配電及用電4個(gè)環(huán)節(jié)組成。調(diào)度數(shù)據(jù)專網(wǎng)等電力專用通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了發(fā)電、輸電、配電等環(huán)節(jié)，用戶側(cè)利用載波方式進(jìn)行小數(shù)據(jù)量傳輸(如抄表)已得到廣泛使用。EMS、WAMS、TMR、水調(diào)自動(dòng)化、DMS等信息系統(tǒng)為電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障，如圖2所示。

圖3 智能電網(wǎng)信息及通信體系架構(gòu)

智能電網(wǎng)的特征之一是與用戶良好的交互，自動(dòng)抄表(AMR)或者自動(dòng)測(cè)量(AMI)等智能表計(jì)及用戶側(cè)信息網(wǎng)關(guān)成為智能電網(wǎng)的重要領(lǐng)域之一。目前大多數(shù)AMR及AMI的解決方案中采用GPRS、RF等無(wú)線技術(shù)作為通信手段。本文第4部分安全防護(hù)部分指出802.1lb的身份驗(yàn)證比較脆弱，黑客只需一臺(tái)普通的無(wú)線局域網(wǎng)適配器就能達(dá)到利用這個(gè)缺陷的目的。從安全角度考慮采用無(wú)線技術(shù)欠妥當(dāng)，本文建議在電力線上采用OFDM(OrthogonalFrequencvDivision Multiplexing)，即正交頻分復(fù)用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高可靠性、最大傳輸速率為14 Mbit／s的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)避免無(wú)線技術(shù)的安全性問(wèn)題。

從發(fā)電、輸電、配電的通信方式發(fā)展看，信息網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖潜Ｗo(hù)、控制、測(cè)量數(shù)據(jù)等綜合信息，智能電網(wǎng)的電力通信網(wǎng)絡(luò)將發(fā)展綜合信息網(wǎng)絡(luò)。

從信息利用角度看，智能電網(wǎng)的監(jiān)控從傳統(tǒng)電網(wǎng)的基于局部信息向基于全局信息轉(zhuǎn)變，分散在各類信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)等將通過(guò)綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)的方式進(jìn)行集成，方便不同業(yè)務(wù)關(guān)注人員對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的高級(jí)分析應(yīng)用功能。因此本文提出的智能電網(wǎng)的信息及通信體系的架構(gòu)如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)電力經(jīng)濟(jì)的發(fā)展壯大，電力通信網(wǎng)絡(luò)已成為世界上最大的電力專用通信網(wǎng)絡(luò)。信息和通信技術(shù)是智能電網(wǎng)的核心技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)。但是在體系架構(gòu)、新技術(shù)等研究領(lǐng)域與國(guó)際水平還存在一定差距。我國(guó)的電力信息與通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必須適應(yīng)和滿足我國(guó)的智能電網(wǎng)的建設(shè)和要求。因此，必須自主創(chuàng)新研究適應(yīng)我國(guó)電網(wǎng)需求的智能電網(wǎng)信息及通信網(wǎng)絡(luò)體系以及智能電網(wǎng)信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系等課題。

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